《美国化学会志》刊发化学学院教师研究成果:一链一卟啉自组装螺旋通道实现超高盐差能转换

点击数:    |    加入时间:2022-05-24

北航新闻网5月24日电(通讯员 陈静)2022年5月20日,Journal ofthe American Chemical Society在线发表了化学学院江雷院士、高龙成副教授团队在高效离子交换膜方面的最新研究成果:“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channelsfor Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”。化学学院博士生李超为第一作者,高龙成副教授为通讯作者,北京航空航天大学化学学院为第一单位。

离子交换膜是选择性传输离子的高分子膜,是新能源电池、电解水、海水淡化、电渗析等系统的关键部件。与其他的膜分离过程一样,决定离子交换膜性能的两个关键参数“选择性”和“通量”之间存在难以兼顾的矛盾(trade-off effect)。在传统的设计中,为实现高的离子通量,尽可能的增大高分子链上离子基团的含量,使其形成互通的离子簇网络。但是,高离子基团含量导致薄膜溶胀率增加,会降低膜的离子选择性。因此,如何平衡“选择性-通量”的矛盾是学术界和工业界持续关注的难题。

为了解决这一难题,高龙成副教授课题组反其道而行之,利用最少的基团,使其有效地组织起来,形成局部的优势,达到了“以少胜多”的效果。具体的,通过可控聚合制备了卟啉为核的星型嵌段共聚物,一个高分子链上仅有一个卟啉基团,离子交换容量(~10-2meq·g-1)比传统离子交换膜低两个数量级。在跨级弱作用力(卟啉的π-π堆叠和嵌段的微相分离)的协同作用下,“一步法”实现了高密度的卟啉螺旋通道(面密度高达1011cm-1)。高密度离子通道保障了高的离子通量,同时,因其极低的离子基团含量,薄膜的溶胀得以有效抑制,从而薄膜兼具高的离子选择性。

高密度螺旋卟啉通道膜的设计思路

离子交换膜“以少胜多”的设计理念在盐差电池中得到验证,在50倍的浓度梯度下实现了19.3 W·m-2的功率密度,比传统离子交换膜高一个数量级。这种反传统的设计理念将推动新一代离子交换膜的开发。

该工作得到江雷院士的指导和深圳湾实验室姜和明博士的大力帮助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c02798

(审核:李红捷)

编辑:贾爱平


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